7 Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Dorudan Sürülü
Beyaz Eya Uygulamalarında Kullanımı
Permanent Magnet Synchronous Motors Used in Direct-Drive Home Appliance Applications
Metin AYDIN
1,2, O uzhan OCAK
2, Günsu Çırpanlı ALBA
31
Mekatronik Mühendislii Böl.
Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe, Kocaeli
Metin.aydin@kocaeli.edu.tr
2
Ar-Ge Böl., MDS Motor Tasarım Ltd.
KOU Teknopark, Baiskele, Kocaeli
oguzhan@mdsmotor.com 3
Ar-Ge Merkezi
ARÇELK A.., Tuzla, stanbul
gunsu.albas@arcelik.com
Özet
Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için kalıcı veya sürekli mıknatıslı bir motor tasarımı gerçekletirilmitir. Farklı oluk sayısı-kutup sayısı seçenekleri incelenmi, uygun kombinasyon belirlenmi, verilen tasarım kriterleri dorultusunda motor elektromanyetik, termal ve yapısal analizleri gerçekletirilerek motor tasarımı sonlandırılmı ve motor prototip aamasına getirilmitir.
Anahtar kelimeler: Dorudan Sürü, Kalıcı Mıknatıslı Motor, PM Motor, Sonlu Elemanlar Analizi
Abstract
This paper talks about a permanent magnet motor design for direct-drive home appliance applications. Within the study, various slot and pole number combinations are investigated and appropriate combination is found. Motor electromagnetic design, thermal and structural analyses are all completed for given design specifications and the motor prototype work is started.
Keywords: Direct-Drive, Permanent Magnet Motor, PM Motor, Finite Element Analysis.
1. Giri
Radyel Akılı Sürekli Mıknatıslı (RASM) motorlar günümüzde birçok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. NdFeB (Neodymium Iron Boron) ve SmCo (Samarium Cobalt) mıknatısların 1980’li yılların baında kefinin ardından Sürekli (veya Sabit) Mıknatıslı (SM) motorlar birçok uygulamada asenkron, DC ve klasik senkron motorların yerini hızlıca almaya balamıtır. Bu motorlar, asenkron yada DC motorların kullanılamayacaı özel uygulamalar bata olmak üzere çok sayıda uygulamada, verimlerinin yüksek olması, hacimlerinin ve aırlıklarının düük olması, moment
younluklarının ve moment/aırlık oranlarının fazla olması nedeniyle tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle günümüzde robotlu otomasyonlarda kullanılan servo- motorlarda, savunma ve beyaz eya sektörlerinde, elektrikli taıtlarda, havacılık ve uzay uygulamalarında, bu tip motorlara sıkça rastlamak mümkündür. Bir uygulama için uygun sürekli mıknatıslı motoru seçerken yada tasarlarken uygulamanın moment-hız ve moment-güç gibi karakteristii sürekli mıknatıslı motorun rotor yapısını belirleyici unsurdur.
Örnein, motorun özellikle geni bir sabit güç bölgesinde çalıacaı uygulamalar için dâhili mıknatıslı motorlar tercih edilir. Çok yüksek hızlı uygulamalarda ise yüzeyden mıknatıslı motorlar tasarım avantajları nedeni ile daha sık kullanılmaktadır. Benzer ekilde üretim maliyeti az ve kontrolün basit olması önemli bir unsur ise yüzeyden mıknatıslı motorlar, hatta yüzük ekilli mıknatıslar iyi bir seçimdir.
Kalıcı mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga
ekline göre de sınıflandırılırlar. “Fırçasız DC Motor”
(Brushless DC Motor – BLDC Motor) olarak bilinen motorlar literatürde besleme akımı trapezoidal dalga eklinde olan motorlardır. “Fırçasız AC motor” (Brushless AC Motor –
(a) (b) (c)
ekil 1: Farklı sürekli mıknatıslı motor yapıları: (a) yüzey mıknatıslı, (b) dahili mıknatıslı ve (c) dı rotorlu yüzey mıknatıslı motorlar
Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Dorudan Sürülü Beyaz Eya Uygulamalarında Kullanımı
Permanent Magnet Synchronous Motors Used in Direct-Drive Home Appliance Applications
Metin AYDIN
1,2, O uzhan OCAK
2, Günsu Çırpanlı ALBA
31
Mekatronik Mühendislii Böl.
Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe, Kocaeli
Metin.aydin@kocaeli.edu.tr
2
Ar-Ge Böl., MDS Motor Tasarım Ltd.
KOU Teknopark, Baiskele, Kocaeli
oguzhan@mdsmotor.com 3
Ar-Ge Merkezi
ARÇELK A.., Tuzla, stanbul
gunsu.albas@arcelik.com
Özet
Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için kalıcı veya sürekli mıknatıslı bir motor tasarımı gerçekletirilmitir. Farklı oluk sayısı-kutup sayısı seçenekleri incelenmi, uygun kombinasyon belirlenmi, verilen tasarım kriterleri dorultusunda motor elektromanyetik, termal ve yapısal analizleri gerçekletirilerek motor tasarımı sonlandırılmı ve motor prototip aamasına getirilmitir.
Anahtar kelimeler: Dorudan Sürü, Kalıcı Mıknatıslı Motor, PM Motor, Sonlu Elemanlar Analizi
Abstract
This paper talks about a permanent magnet motor design for direct-drive home appliance applications. Within the study, various slot and pole number combinations are investigated and appropriate combination is found. Motor electromagnetic design, thermal and structural analyses are all completed for given design specifications and the motor prototype work is started.
Keywords: Direct-Drive, Permanent Magnet Motor, PM Motor, Finite Element Analysis.
1. Giri
Radyel Akılı Sürekli Mıknatıslı (RASM) motorlar günümüzde birçok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. NdFeB (Neodymium Iron Boron) ve SmCo (Samarium Cobalt) mıknatısların 1980’li yılların baında kefinin ardından Sürekli (veya Sabit) Mıknatıslı (SM) motorlar birçok uygulamada asenkron, DC ve klasik senkron motorların yerini hızlıca almaya balamıtır. Bu motorlar, asenkron yada DC motorların kullanılamayacaı özel uygulamalar bata olmak üzere çok sayıda uygulamada, verimlerinin yüksek olması, hacimlerinin ve aırlıklarının düük olması, moment
younluklarının ve moment/aırlık oranlarının fazla olması nedeniyle tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle günümüzde robotlu otomasyonlarda kullanılan servo- motorlarda, savunma ve beyaz eya sektörlerinde, elektrikli taıtlarda, havacılık ve uzay uygulamalarında, bu tip motorlara sıkça rastlamak mümkündür. Bir uygulama için uygun sürekli mıknatıslı motoru seçerken yada tasarlarken uygulamanın moment-hız ve moment-güç gibi karakteristii sürekli mıknatıslı motorun rotor yapısını belirleyici unsurdur.
Örnein, motorun özellikle geni bir sabit güç bölgesinde çalıacaı uygulamalar için dâhili mıknatıslı motorlar tercih edilir. Çok yüksek hızlı uygulamalarda ise yüzeyden mıknatıslı motorlar tasarım avantajları nedeni ile daha sık kullanılmaktadır. Benzer ekilde üretim maliyeti az ve kontrolün basit olması önemli bir unsur ise yüzeyden mıknatıslı motorlar, hatta yüzük ekilli mıknatıslar iyi bir seçimdir.
Kalıcı mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga
ekline göre de sınıflandırılırlar. “Fırçasız DC Motor”
(Brushless DC Motor – BLDC Motor) olarak bilinen motorlar literatürde besleme akımı trapezoidal dalga eklinde olan motorlardır. “Fırçasız AC motor” (Brushless AC Motor –
(a) (b) (c)
ekil 1: Farklı sürekli mıknatıslı motor yapıları: (a) yüzey mıknatıslı, (b) dahili mıknatıslı ve (c) dı rotorlu yüzey mıknatıslı motorlar
Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Dorudan Sürülü Beyaz Eya Uygulamalarında Kullanımı
Permanent Magnet Synchronous Motors Used in Direct-Drive Home Appliance Applications
Metin AYDIN
1,2, O uzhan OCAK
2, Günsu Çırpanlı ALBA
31
Mekatronik Mühendislii Böl.
Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe, Kocaeli
Metin.aydin@kocaeli.edu.tr
2
Ar-Ge Böl., MDS Motor Tasarım Ltd.
KOU Teknopark, Baiskele, Kocaeli
oguzhan@mdsmotor.com 3
Ar-Ge Merkezi
ARÇELK A.., Tuzla, stanbul
gunsu.albas@arcelik.com
Özet
Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için kalıcı veya sürekli mıknatıslı bir motor tasarımı gerçekletirilmitir. Farklı oluk sayısı-kutup sayısı seçenekleri incelenmi, uygun kombinasyon belirlenmi, verilen tasarım kriterleri dorultusunda motor elektromanyetik, termal ve yapısal analizleri gerçekletirilerek motor tasarımı sonlandırılmı ve motor prototip aamasına getirilmitir.
Anahtar kelimeler: Dorudan Sürü, Kalıcı Mıknatıslı Motor, PM Motor, Sonlu Elemanlar Analizi
Abstract
This paper talks about a permanent magnet motor design for direct-drive home appliance applications. Within the study, various slot and pole number combinations are investigated and appropriate combination is found. Motor electromagnetic design, thermal and structural analyses are all completed for given design specifications and the motor prototype work is started.
Keywords: Direct-Drive, Permanent Magnet Motor, PM Motor, Finite Element Analysis.
1. Giri
Radyel Akılı Sürekli Mıknatıslı (RASM) motorlar günümüzde birçok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. NdFeB (Neodymium Iron Boron) ve SmCo (Samarium Cobalt) mıknatısların 1980’li yılların baında kefinin ardından Sürekli (veya Sabit) Mıknatıslı (SM) motorlar birçok uygulamada asenkron, DC ve klasik senkron motorların yerini hızlıca almaya balamıtır. Bu motorlar, asenkron yada DC motorların kullanılamayacaı özel uygulamalar bata olmak üzere çok sayıda uygulamada, verimlerinin yüksek olması, hacimlerinin ve aırlıklarının düük olması, moment
younluklarının ve moment/aırlık oranlarının fazla olması nedeniyle tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle günümüzde robotlu otomasyonlarda kullanılan servo- motorlarda, savunma ve beyaz eya sektörlerinde, elektrikli taıtlarda, havacılık ve uzay uygulamalarında, bu tip motorlara sıkça rastlamak mümkündür. Bir uygulama için uygun sürekli mıknatıslı motoru seçerken yada tasarlarken uygulamanın moment-hız ve moment-güç gibi karakteristii sürekli mıknatıslı motorun rotor yapısını belirleyici unsurdur.
Örnein, motorun özellikle geni bir sabit güç bölgesinde çalıacaı uygulamalar için dâhili mıknatıslı motorlar tercih edilir. Çok yüksek hızlı uygulamalarda ise yüzeyden mıknatıslı motorlar tasarım avantajları nedeni ile daha sık kullanılmaktadır. Benzer ekilde üretim maliyeti az ve kontrolün basit olması önemli bir unsur ise yüzeyden mıknatıslı motorlar, hatta yüzük ekilli mıknatıslar iyi bir seçimdir.
Kalıcı mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga
ekline göre de sınıflandırılırlar. “Fırçasız DC Motor”
(Brushless DC Motor – BLDC Motor) olarak bilinen motorlar literatürde besleme akımı trapezoidal dalga eklinde olan motorlardır. “Fırçasız AC motor” (Brushless AC Motor –
(a) (b) (c)
ekil 1: Farklı sürekli mıknatıslı motor yapıları: (a) yüzey mıknatıslı, (b) dahili mıknatıslı ve (c) dı rotorlu yüzey mıknatıslı motorlar
Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Dorudan Sürülü Beyaz Eya Uygulamalarında Kullanımı
Permanent Magnet Synchronous Motors Used in Direct-Drive Home Appliance Applications
Metin AYDIN
1,2, O uzhan OCAK
2, Günsu Çırpanlı ALBA
31
Mekatronik Mühendislii Böl.
Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe, Kocaeli
Metin.aydin@kocaeli.edu.tr
2
Ar-Ge Böl., MDS Motor Tasarım Ltd.
KOU Teknopark, Baiskele, Kocaeli
oguzhan@mdsmotor.com
3
Ar-Ge Merkezi
ARÇEL K A.., Tuzla, stanbul
gunsu.albas@arcelik.com
Özet
Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için kalıcı veya sürekli mıknatıslı bir motor tasarımı gerçekletirilmitir. Farklı oluk sayısı-kutup sayısı seçenekleri incelenmi, uygun kombinasyon belirlenmi, verilen tasarım kriterleri dorultusunda motor elektromanyetik, termal ve yapısal analizleri gerçekletirilerek motor tasarımı sonlandırılmı ve motor prototip aamasına getirilmitir.
Anahtar kelimeler: Dorudan Sürü, Kalıcı Mıknatıslı Motor, PM Motor, Sonlu Elemanlar Analizi
Abstract
This paper talks about a permanent magnet motor design for direct-drive home appliance applications. Within the study, various slot and pole number combinations are investigated and appropriate combination is found. Motor electromagnetic design, thermal and structural analyses are all completed for given design specifications and the motor prototype work is started.
Keywords: Direct-Drive, Permanent Magnet Motor, PM Motor, Finite Element Analysis.
1. Giri
Radyel Akılı Sürekli Mıknatıslı (RASM) motorlar günümüzde birçok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. NdFeB (Neodymium Iron Boron) ve SmCo (Samarium Cobalt)
younluklarının ve moment/aırlık oranlarının fazla olması nedeniyle tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle günümüzde robotlu otomasyonlarda kullanılan servo- motorlarda, savunma ve beyaz eya sektörlerinde, elektrikli taıtlarda, havacılık ve uzay uygulamalarında, bu tip motorlara sıkça rastlamak mümkündür. Bir uygulama için uygun sürekli mıknatıslı motoru seçerken yada tasarlarken uygulamanın moment-hız ve moment-güç gibi karakteristii sürekli mıknatıslı motorun rotor yapısını belirleyici unsurdur.
Örnein, motorun özellikle geni bir sabit güç bölgesinde çalıacaı uygulamalar için dâhili mıknatıslı motorlar tercih edilir. Çok yüksek hızlı uygulamalarda ise yüzeyden mıknatıslı motorlar tasarım avantajları nedeni ile daha sık kullanılmaktadır. Benzer ekilde üretim maliyeti az ve kontrolün basit olması önemli bir unsur ise yüzeyden mıknatıslı motorlar, hatta yüzük ekilli mıknatıslar iyi bir seçimdir.
Kalıcı mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre sınıflandırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga
ekline göre de sınıflandırılırlar. “Fırçasız DC Motor”
(Brushless DC Motor – BLDC Motor) olarak bilinen motorlar literatürde besleme akımı trapezoidal dalga eklinde olan motorlardır. “Fırçasız AC motor” (Brushless AC Motor –
BLAC Motor)” veya “Sürekli mıknatıslı senkron motor”
olarak bilinen motorlar ise literatürde besleme akımı sinüzoidal dalga eklinde olan motorlardır. Unutulmaması gereken nokta, her iki motorun da DC veya AC bir kaynaktan beslenebilmeleri ve her iki tür motorun da fırçasız motor olmalarıdır. ekil 1’de de gösterildii gibi sürekli mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre yüzeyden mıknatıslı, gömülü mıknatıslı ve dı rotorlu yapılar olmak üzere 3 temel kısımda sınıflandırılabilirler. Bu 3 gurubun dıında yer alan yüzük tip mıknatıslı yapılar da yüzeyden mıknatıslı guruba dahil edilebilirler.
Standart sürekli mıknatıslı motorların tasarımı ve üretimi, dünyada birçok firma tarafından belirli güç ve hızlarda yapılmaktadır. Ancak, her ne kadar tasarım aamasında kullanılan yazılımlara sahip olunsa bile, özel uygulamalar için motor tasarımı uzmanlık istemekte ve zaman almaktadır.
Standart dıı, özel sürekli mıknatıslı motorların tasarımı ise, balı baına uzmanlık gerektiren zor bir itir. Bu tür motorların denklemleri motor yapısına balı olarak deimektedir ve modelleme ile sonlu elemanlar analizi (SEA) gibi analizler olmaksızın tasarımları sonlandırmak zaman kaybı ve ek maliyet getirme gibi riskleri beraberinde taımaktadır.
Bu çalımada dorudan sürülü beyaz eya uygulamasında kullanılan bir SM motor için dı rotorlu kalıcı mıknatıslı senkron motorun tasarımı özetlenmitir. Tasarım süreci, elektromanyetik sonlu elemanlar analizi, yapısal ve termal tasarımlar SPEED, Flux 2D ve MotorCAD gibi modern yazılımlar kullanılarak gerçekletirilmi ve motor prototip üretimi aamasına getirilmitir.
2. Tasarım Kriterleri
Tasarımda kullanılacak temel kriterlerden biri olan moment ve hız verileri ekil 2’de özetlenmitir. Motor tasarımı, biri düük hız, dieri ise yüksek bir hız olmak üzere iki farklı çalıma noktası için gerçekletirilecek ve bu noktalarda 1pu ve yaklaık 0.2pu momente ihtiyaç duyulacaktır. Kullanılan elektriksel verilerin yanında kritik dier bir veri ise mekanik kısıtlamalardır. Beyaz eya motorunun monte edilecei hacmin boyutları tasarım aamasında göz önüne alınarak, tasarlanan motorun bu hacmin içerisine gireceinden emin olunması gerekmektedir. Ayrıca tasarlanacak motorun seri üretime uygun olması da dier bir önemli tasarım kriteridir.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0 500 1000 1500 2000
T [pu]
w [rpm]
ekil 2: DS Beyaz eya uygulaması için tasarlanacak SM motorun moment-hız karakteristii
3. Konsantre Sargılı Motorlar
Üretim kolaylıı ve üretim maliyetinin düük olması nedeniyle konsantre sargılı motorlar günümüzde bir çok uygulamada yer bulmaktadır. Bu tip sargı yapısına sahip motorlar yüksek hızlı uygulamalarda olduu kadar, dorudan sürülü, yüksek kutuplu uygulamalarda da sıkça görülmektedir. Konsantre sargı yapısına sahip 3 fazlı dengeli motorların temel özellikleri Tablo 1’ de kısaca özetlenmitir. Bu tip motorları sinüzoidal motor olarak tasarlamanın yanında, tasarımın getirecei üretim avantajı ve maliyet faktörü de bu motorların çok adetli uygulamalarda kullanılmasını daha cazip kılmaktadır [4].
Tablo 1: q1 Olan Sargı Yapılarının Karılatırılması Oluk/kutup/
faz oranı (q)
Özellikler
q = 0.5 • Kısa kutup adımları
• Sinüsoidal akımlar için performansta sorun
• Düük sargı faktörü Kw= 0.866
• Kare dalge besleme için yüzey mıknatıslı motorlarda yüksek moment dalgalanması
• Moment dalgalanma artı olmayan düük güçlü uygulamalarda kullanım
q = 0.5 – 0.33 • q = 0.5’e göre yüksek performans
• 12 oluk - 10 kutuplu ilginç tasarım
• Tek katmanlı sargı yapısını destekler
• Düük moment dalgalanması ve düük vuruntu momenti
q = 0.33 –0.25 • Moment younluu sargıların daha fazla akı kesmesi nedeniyle yüksektir.
• Yüksek sargı faktörü avantajdır
• 12 oluk, 14 kutuplu ilginç tasarım
• Tek katmanlı sargıları destekler
• Sinüzoidal akımla beslemeye uygundur q 0.25 • Daha sinüsoidal moment fakat genlik
düük
• Kare dalga besleme durumunda, olukların düzensiz daılımı yüksek performans salar
4. Dı Rotorlu Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor Tasarım Süreci
Farklı tip elektrik motorlarının tek bir model kullanarak analizi ve tasarımı mümkün deildir. Farklı motorlar yada farklı rotor yapıları için denklemler ayrı ayrı oluturulmalı ve motor boyutlandırması gerçekletirilmelidir. Genelletirilmi
motor boyutlandırma denklemleri yüzey mıknatıslı motorlar için daha önce gelitirilmi, doruluu ve ilerlii ispatlanmıtır [5-6]. Bu tasarım yöntemi kullanılarak elektrik motorlarının optimum boyutları tasarım kriterleri dorultusunda elde edilebilmektedir. Motorları, maksimum güç younluu noktası, minimum maliyeti verecek ekilde tasarlamak, maksimum verim noktası için yada minimum motor aırlıı için tasarlamak aaıda açıklanan sistematik metot ile mümkündür.
Stator kaçak endüktansı ve direncinin ihmal edildii herhangi bir 3 fazlı elektrik motorunun çıkı gücü,
PK PK p
R K E I
P =3η (1)
eklinde ifade edilir. Burada EPK hava aralıı faz EMF’si tepe deeridir. Benzer ekilde IPK ise faz akımı tepe deeri ve η motor verimi olarak tanımlanmıtır. (1) Denklemindeki KP
katsayısı ise elektriksel güç dalga katsayısıdır. Bu katsayı motor EMF ve akım dalga ekline balı bir parametredir.
Hava aralıı faz EMF’sinin tepe deeri standart sürekli mıknatıslı motorlar için denklem (2) de verilmitir.
e o o g t e
PK D L
p B f N K
E = λ (2)
Burada Ke sargı faktörünüde içeren EMF faktörü, Nt sarım sayısı, Bg hava aralıı akı younluu, f besleme frekansı, p kutup çifti, λo ise motor çap oranı olarak tanımlanır:
o g
o D
=D
λ (3)
Çap oranı standart radyal akılı motorlar için Do motor dı çapı, Dg hava aralıı çapı olacak ekilde verilmektedir. Bu oran motorun oluk uzunluuna, arka nüve kalınlıına, mıknatıs kalınlıına ve kutup sayısına balı olduu unutulmamalıdır. Le
ise tüm denklemlerde motor paket boyu olarak tanımlanmıtır.
Tasarım denklemlerindeki faz akımının tepe deeri ise denklem (4)’de verilmitir;
t o o i
PK mN
A D K K I
2 1
1
1 πλ
+ φ
= (4)
Bu denklemde A toplam elektriksel yükleme, Kφ ise rotor elektriksel yüklemesinin stator yüklemesine oranı olarak verilmitir. Sürekli mıknatıslı motorlarda rotorda sargı olmadıı için Kφ=0 olarak alınmalıdır.
Bu denklemler birletirilirse, kalıcı mıknatıslı motorlar için çıkı güçü kolaylıkla elde edilir. ayet çıkı gücü D2L denklemi olarak yazılmak istenirse;
e o o g p i e
R D L
p Af B K K m K
P 2 2
12
3 π η λ
= (5)
elde edilir. Motor çıkı gücünü D2L denklemi yerine D3 denklemi olarak hem radyal akılı hem de disk motorlar için yazmak da mümkündür;
3 2 12
3
o o g l p i e
R D
p Af B K K K m K
P π η λ
= (6)
SM motorlar için verilmi bu denklemlerde PR anma gücü yada motorun mil gücü, m1 statorun faz sayısı, Ki akım dalga faktörü, Kp elektriksel güç dalga faktörü, olarak tanımlanmıtır. Endüklenen EMF ve besleme akımı dalga
ekline göre bu faktörler deiiklik göstermektedir.
Bu tasarım denklemleri kullanılarak dı rotorlu, mıknatısları yüzeye yapıtırılmı kalıcı mıknatıslı bir motorun boyutları
tesbit edilebilmektedir. Dı rotorlu bir SM motorun 3 boyutlu katı modeli ekil 3 de verilmitir. Bu aamadan sonra elde edilen ön elektromanyetik tasarım, kendi içerisinde performans kontrolü, SPEED [7] yada benzeri bir yazılım kullanılarak parametrik optimizasyonu, 2 yada 3 boyutlu Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) gibi uzun, yorucu ve zaman alıcı aamalara tabi tutulur. Motor topolojisi sonlu elemanlar yazılımının 2D yada 3D olacaını belirler. Elde edilen tasarım yada tasarımlardan uygulamanın özelliklerine uygun olanı yada olanları SEA ile analizi yapılarak tasarım kriterlerine uygunluu belirlenir. Bu döngülü prosesin kriterlerin zorluk derecesine göre birkaç defa tekrarlanabilecei göz ardı edilmemelidir. Elektromanyetik tasarım aamasını geçmi bir motor, yapısal tasarım yada analiz aamasını geçemez ise elektromanyetik tasarım aamasına geri dönülmelidir. Yüksek hızlı uygulamalarda, rotorun yapısal bütünlüünü korumak için tasarımın bu aaması çok önemlidir. Rotor yapısının maruz kalacaı stres ve yer deitirme deerleri dikkatlice kontrol edilmelidir. ayet uygulamada yüksek rotor hızları söz konu deilse yapısal analize gerek kalmayabilir. Tasarım sürecinde son aama ise termal streslerin kontrol edilmesidir.
Motor yapısı uygulmaya balı olarak sürekli çalıma yada maksimum çalıma durumu için manyetik tasarım aamasında belirlenen tüm kayıp deerleri kullanılarak sıcaklık artıları ve sıcaklıkların hangi seviyelere ulatıı kontrol edilmelidir. Bu bir SEA olabilecei gibi CFD türü bir çalıma da olabilir.
Benzer ekilde elektromanyetik ve yapısal tasarım aamalarını geçen bir motorun termal tasarım aamasında sorun yaratması elektromanyetik tasarım aamasına geri dönülmesi anlamını taımaktadır. Akım younluu düük uygulamalarda veya çok sıcak ortamlarda çalımayan sürekli mıknatıslı motorlarda termal tasarıma gerek kalmayabilir. Tasarımcının tecrübesi, bu tip yapısal ve termal analizlere gerek olup olmayacaını belirleyen en önemli unsurlardan biridir. Ancak, özel bir uygulama için tasarlanan sürekli mıknatıslı bir motor, tüm tasarım aamalarını geçtikten sonra prototip veya üretim aamasına geçilmelidir. Tüm bu tasarım süreci ekil 4’de detaylıca gösterilmitir.
ekil 3: Dı rotorlu SM bir motorun 3 boyutlu görünümü
ekil 4: Dı rotorlu SM motorun tasarım aamaları
5. Dı Rotorlu Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor Sonlu Elemanlar Analizi
Sonlu elemanlar analizinin (SEA) elektrik motorlarının analizinde kullanılmasının temel amaçları, motorun stator ve rotor nüvesi, di, oluk gibi farklı noktalarında ki doyum seviyeleri hakkında bilgi sahibi olmak, motor tasarım modelinin doruluunu test etmektir. Ayrıca motordan alınabilecek vuruntu momenti, moment dalgalanması ve ortalama moment gibi motorun moment kalitesini ve kabiliyetini gösteren moment bileenlerinin seviyeleri SEA ile belirlenebilmektedir. Farklı SEA programları sayesinde motor kayıpları ve motor verimi dahi hesaplanabilmekte, zamana balı geçici durum SEA’leri mevcut yazılımlar sayesinde yapılabilmektedir. Genelde, radyal akılı standart SM motorlarda 2 boyutlu SEA, eksenel akılı SM motorlarda ise 3 boyutlu SEA kullanılır. Motor paket boyunun motor çapına oranının çok küçük olduu radyal akılı SM motorlarda ise 2 boyutlu SEA’den çok 3 boyutlu SEA daha doru sonuç vermektedir. Günümüzde birçok SEA yazılımı sürekli mıknatıslı motorların analizinde kullanılmaktadır ve programların dorulukları birçok aratırmacı tarafından gösterilmitir. Bu makaledeki çalımalarda Flux2D (Cedrat) yazılımı kullanılmıtır [8]. Flux2D yazılımı kullanılarak oluturulan SEA modeli ve a yapısı, incelenen dı rotorlu motor için ekil 5’de gösterilmitir. Simetri özelliinden faydalanılarak motorun tamamı analiz edilmemi ve bu sayede çözüm süresi bir hayli kısaltılmıtır. Ayrıca ekilden de görüldüü üzere, özellikle elektrik makinelerinde enerji dönüümünün gerçekletii yer olan hava aralıında ki mesh yapısı oldukça iyidir. Bu da analizin doruluunu artırıcı önemli bir faktördür.
ekil 5: Dı rotorlu SM motorun SEA modeli ve a yapısı
ekil 6, ekil 7 ve ekil 8’de motor yüksüz ve yüklü durum analizleri gösterilmektedir. Motor akı younlukları her iki çalıma noktası için de makul seviyelerde olduu gerçekletirilen SEA’lerinde görülmektedir. Belirlenen kutup sayısı-oluk kombinasyonu ile motor vuruntu momenti anma momentinin %6’ları mertebesine çekilebilmitir. Bu sayede düük hızlarda motor kontrolü daha rahat yapılabilecektir.
ekil 6: Dı rotorlu SM motorun manyetik akı çizgileri ve akı younluu deiimi
Ayrıca yüklü durum analizleri de bu motor için gerçekletirilmi, hem yüksek hemde düük hızlarda yüklü durum momenti istenen moment-hız artını saladıı görülmütür. Flux yazılımı kullanılarak elde edilen endüklenen faz gerilimi dalga ekli 500rpm için ekil 9’da verilmitir. Düük harmonikleri içermeyen, yüksek harmonik içerii olan bu dalga ekli istenen artları salamaktadır.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0 200 400 600
Akı Younluu[T]
Elektriksel Açı [Derece]
ekil 7: Hava aralıı akı younluu deiimi
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0 2 4 6
Moment[pu]
Rotor Pozisyonu [Derece]
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Vuruntu Momenti [pu]
Rotor Pozisyonu [Derece]
ekil 8: Dı rotorlu yapının çıkı momenti ve vuruntu momentinin deiimi
-200
-150 -100 -50 0 50 100 150 200
0 5 10 15
Back EMF[V]
Rotor Pozisyonu [Derece]
faz gerilimi
ekil 9: Dı rotorlu yapının 500rpm hız için back EMF dalga
eklinin deiimi
6. Yapısal ve Isıl Analizler
Elektromanyetik tasarım çalıması tamamlanmı dı rotorlu kalıcı mıknatıslı motorun yapısal sonlu elemanlar analizi gerçekletirilmi ve motorun çalıacaı maksimum hızda yapısal olarak bir problem olup olmadıı incelenmitir.
Mıknatısların merkezkaç kuvvetlerinden dolayı oluan kuvvetlere karı kullanılan yapıtırıcının oluturduu ba
kuvvetinin oldukça yeterli olduu yapılan çalımalar neticesinde görülmütür. ekil 10’dan da görüldüü gibi maksimum hızda oluan stres seviyeleri 20Mpa mertebelerindedir ve bu deer kullanılan malzemelerin yapısal özellikleri göz önüne alındıında önemsiz deerlerdir. Ayrıca rotor yapısında maksimum hız altında 0.0016 mm radyal yönde deformasyon olutuu görülmü ve önemsiz miktarda bir deformasyon olduu sonucuna ulaılmıtır.
ekil 10: Edeer gerilmelerin mıknatıs etrafındaki deerleri.
Ayrıca dı rotorlu kalıcı mıknatıslı yapının en zor koul olan maksimum yük altında termal analizleri yapılmı ve stator ile rotordaki kararlı durum sıcaklık deerleri incelenmitir. Dı
rotorlu yapının termal analizi Motor CAD [9-10] yazılımı kullanılarak gerçekletirilmitir. ekil 11’de Motor CAD yazılımından elde edilen motora ait sıcaklık deerleri verilmitir. Bu yazılım kullanılarak motor modellenmi ve motorun sargı sonları dahil deiik noktalarda kararlı durum sıcaklıkları farklı ortam sıcaklıkları da hesaba katılarak tesbit edilmitir. Modelleme, en zor koul olan düük hız çalıma noktasında 1pu moment için gerçekletirilmi ve kararlı durumda motor sıcaklıkları ekil 11’de verilmitir.
Sonuçlardan da görüldüü gibi ortam sıcaklıı 20 oC alınırsa, motorun sargı sonu sıcaklık deeri 90.4 oC seviyelerine
ekil 11: Motor CAD yazılımından elde edilen motorun sıcaklık profili (kararlı durum profili) – radyal ve eksenel görünüm
ulamaktadır. Bu durumda mıknatıs sıcaklıı 63.2 oC gibi düük bir seviyededir. Kullanılan mıknatısın yüksek sıcaklıklara dayanabilen bir NdFeB tür mıknatıs olduu düünülürse bulunan deerler makul seviyelerdedir. Ortam sıcaklıının 50 oC seviyelerine çekilmesi durumunda ise Motor CAD yazılımından elde edilen maksimum sıcaklık 118
oC seviyelerine, mıknatıs sıcaklıı ise 89 oC seviyelerine ulamakta, sargı ve mıknatıslarda bir problem gözlenmemekte- dir.
7. Sonuçlar
Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için analizlerle desteklenen kalıcı mıknatıslı bir motor tasarımı çalıması gerçekletirilmitir. Belirlenen oluk-kutup kombinasyonuna göre yapının uygulama ve kriterler açısından tasarımı yapılmı, elektromanyetik, mekanik ve termal analizleri tamamlanmı, moment kalitesi incelenmi ve tasarım sonlandırılmıtır. Motor vuruntu momenti, çıkı momenti deerlerinin tasarım kriterlerine uygun olduu yapılan elektromanyetik analizler sonucunda görülmütür. Ayrıca akı younluu seviyelerinin de kritik seviyelerin altında olduu yine yapılan analizler sonucunda gözlenmitir. Rotor, maksimum hızda yapısal analize tabi tutulmu, motor nüvesinde ve mıknatıslarda oluan yapısal stres ve deformasyon incelenmi ve bir problem olmadıı teyit edilmitir. Ayrıca termal analizler akım younluu da göz önüne alınarak gerçekletirilmi ve kararlı durumda mıknatıs ya da sargıların farklı ortam sıcaklıklarında termal problem yaratmayacak olmasına tasarım sürecinde dikkat edilmi, tasarım sonlandırılmı ve motor prototip üretimi aamasına getirilmitir.
8. Kaynaklar
[1] T. Sebastain and G. R. Slemon, “Operation limits of an inverter-driven permanent magnet motor drives”, IEEE Trans. on Industry App, Vol.23, No.2, 1987, pp.327-333.
[2] T. Sebastian, G. R. Slemon and M. A. Rahman, “Design considerations for variable speed permanent magnet motors”, Proceedings of International Conference on Electrical Machines (ICEM) 1986, pp.1099-1102.
[3] N. Boules, “Prediction of no-load flux density distribution of permanent magnet machines”, IEEE Tran.
on Industry App., Vol.21, No.3, 1987, pp.633-643.
[4] A. El-Refaie, “High Speed Operation of Permanent Mag- net Machines”, PhD Thesis, Unv. of Wisconsin, 2005.
[5] S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo, “A direct approach to electrical machine performance evaluation: Torque density assessment and sizing optimization”, 15th Int.
Conference on Electrical Machine ICEM 2002, Belgium.
[6] S. Huang, J. Luo, F. Leonardi, and T. A. Lipo, “A General Approach to Sizing and Power Density Equations for Comparison of Electrical Machines,” IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE Trans. IA- 34, No.1, pp.92-97, 1998.
[7] SPEED Software, PC-BDC 9.04 User’s Manual, February 2010.
[8] Flux 2D Application Manual, Cedrat, March 2010.
[9] D. A. Staton, “Thermal computer aided design – Advancing the revolution in compact motors,” in Proc.
IEEE IEMDC, Boston, MA, Jun. 2001, pp. 858–863.
[10] Motor-CAD v3.1 software manual, April 2006.
rotor
mıknatıs